特許第5780565号(P5780565)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5780565
(24)【登録日】2015年7月24日
(45)【発行日】2015年9月16日
(54)【発明の名称】太陽電池の製造方法
(51)【国際特許分類】
   H01L 31/068 20120101AFI20150827BHJP
   H01L 31/0352 20060101ALI20150827BHJP
【FI】
   H01L31/06 300
   H01L31/04 340
【請求項の数】9
【全頁数】18
(21)【出願番号】特願2014-80106(P2014-80106)
(22)【出願日】2014年4月9日
(62)【分割の表示】特願2011-513521(P2011-513521)の分割
【原出願日】2009年4月29日
(65)【公開番号】特開2014-160843(P2014-160843A)
(43)【公開日】2014年9月4日
【審査請求日】2014年5月1日
(31)【優先権主張番号】61/060,921
(32)【優先日】2008年6月12日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】12/392,923
(32)【優先日】2009年2月25日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】505379467
【氏名又は名称】サンパワー コーポレイション
(74)【代理人】
【識別番号】110000877
【氏名又は名称】龍華国際特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】デ、ケースター、デニス
(72)【発明者】
【氏名】カズンズ、ピーター、ジョン
(72)【発明者】
【氏名】スミス、デービッド、ディー
【審査官】 井上 徹
(56)【参考文献】
【文献】 国際公開第2008/050889(WO,A1)
【文献】 特開平09−172196(JP,A)
【文献】 特許第5524194(JP,B2)
【文献】 国際公開第2007/130188(WO,A2)
【文献】 米国特許第7851698(US,B2)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 31/02−31/078、31/18−31/20、
51/42−51/48
H02S 10/00−50/15
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
太陽電池を製造する方法であって、
P型ドーピング領域およびN型ドーピング領域を前記太陽電池の裏面に形成する段階と、
前記P型ドーピング領域および前記N型ドーピング領域を互いから物理的に分離するトレンチを形成する段階と
を備え
前記裏面は、前記太陽電池の正面の反対側の面であり、前記正面は、通常動作時に太陽の方を向く面であり、
前記トレンチはトレンチ中断部を有し、
前記トレンチ中断部は、前記トレンチを分断し、かつ、前記P型ドーピング領域および前記N型ドーピング領域を前記トレンチ中断部を介して隣接させ
前記P型ドーピング領域および前記N型ドーピング領域は誘電体層上に形成され、前記トレンチは、前記P型ドーピング領域および前記N型ドーピング領域と、前記誘電体層とをエッチングして貫通することにより形成される
方法。
【請求項2】
前記P型ドーピング領域および前記N型ドーピング領域を前記太陽電池の裏面に形成する段階は、
太陽電池基板上にポリシリコン層を形成する段階と、
前記ポリシリコン層に前記P型ドーピング領域および前記N型ドーピング領域を形成する段階と
を含む請求項1に記載の方法。
【請求項3】
前記P型ドーピング領域および前記N型ドーピング領域を形成すべく前記ポリシリコン層がドーピングされる前に、前記ポリシリコン層をエッチングすることにより前記トレンチを形成する請求項2に記載の方法。
【請求項4】
前記ポリシリコン層に前記P型ドーピング領域および前記N型ドーピング領域を形成する段階は、
P型ドーパントソース層から前記ポリシリコン層へとP型ドーパントを拡散させる段階と、
N型ドーパントソース層から前記ポリシリコン層へとN型ドーパントを拡散させる段階と
を含む請求項2に記載の方法。
【請求項5】
前記トレンチの表面を不規則に粗面化する段階をさらに備える請求項1に記載の方法。
【請求項6】
前記太陽電池の前記裏面において、前記P型ドーピング領域に第1の金属コンタクトフィンガー部を電気接合する段階と、
前記太陽電池の前記裏面において、前記N型ドーピング領域に第2の金属コンタクトフィンガー部を電気接合する段階と
をさらに備える請求項1に記載の方法。
【請求項7】
前記P型ドーピング領域および前記N型ドーピング領域は、ポリシリコンを含む請求項2に記載の方法。
【請求項8】
前記ポリシリコンは誘電体層上に形成され、前記トレンチは、前記ポリシリコン層と前記誘電体層をエッチングして貫通することにより形成される請求項7に記載の方法。
【請求項9】
前記トレンチは複数のトレンチ中断部を有し、
前記複数のトレンチ中断部は、前記トレンチを分断し、かつ、前記P型ドーピング領域および前記N型ドーピング領域を前記複数のトレンチ中断部を介して隣接させる
請求項1に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【0001】
本願は、米国仮出願第61/060,921号(出願日:2008年6月12日)の恩恵を主張する。
【技術分野】
【0002】
本発明は概して、太陽電池に関する。限定されるものではないが、特に、太陽電池の製造工程および構造に関する。
【背景技術】
【0003】
太陽電池は、太陽光を電気エネルギーに変換する公知のデバイスである。太陽電池は、半導体プロセス技術を用いて半導体ウェハ上に製造され得る。太陽電池には、P型ドーピング領域およびN型ドーピング領域が設けられる。太陽光が太陽電池に照射されると、電子および正孔が発生して、両ドーピング領域へと移動する。裏面コンタクト型の太陽電池では、ドーピング領域および当該ドーピング領域に結合されているインターデジット式の金属コンタクトフィンガー部が共に太陽電池の裏面に設けられている。コンタクトフィンガー部によって、外部の電気回路を太陽電池に結合することが可能となると共に、外部の電気回路に太陽電池から電力供給を行うことが可能となる。
【0004】
太陽電池に関して、電力生成能力に直接的な関係があるので、高効率であることは重要な特性である。したがって、太陽電池の効率を改善するための技術が望まれるのは一般的なことである。本発明は、新型の太陽電池構造を製造するプロセスを提供することによって、太陽電池の効率を改善することを可能とする。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0005】
一実施形態に係る太陽電池は、シリコンウェハ等の基板の裏面に、ポリシリコンのP型ドーピング領域およびN型ドーピング領域が設けられている。断続的なトレンチ構造によって、P型ドーピング領域およびN型ドーピング領域は複数の箇所で互いから分離しているが、P型ドーピング領域およびN型ドーピング領域はその他の箇所では互いに接触している。P型ドーピング領域およびN型ドーピング領域はそれぞれ、薄い誘電体層の上方に形成されているとしてよい。他にも利点は得られるが、上記のような太陽電池構造によれば、逆ブレークダウン電圧を比較的低い水準に留めつつ、効率を改善することができる。
【0006】
添付図面および特許請求の範囲を含む本開示内容を全て参照することによって、上記およびその他の本発明の特徴が当業者に容易に明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
図1】本発明の実施形態に係る太陽電池構造を示す図である。
図2】本発明の実施形態に係る太陽電池構造を示す図である。
図3】本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための図である。
図4】本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための図である。
図5】本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための図である。
図6】本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための図である。
図7A】本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための図である。
図7B】本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための図である。
図8A】本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための図である。
図8B】本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための図である。
図9】本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための図である。
図10】本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための図である。
図11】試験構造である太陽電池の性能と、本発明の実施形態に係る太陽電池の性能とを比較している暗時のIV曲線を示す図である。
図12】本発明の実施形態に係る太陽電池を製造する方法を示すフローチャートである。
図13】本願発明の発明者が見つけたさまざまな太陽電池の挙動を説明するためのIV曲線を示す図である。
図14】本発明の実施形態に係る太陽電池を示す概略図である。
図15】本発明の実施形態に係る、図14の太陽電池の裏面の一部分を示す拡大概略図である。
図16図15に示す領域の概略平面図である。
図17】本発明の実施形態に係る図14の太陽電池を示す断面図である。
図18図17に示した別の領域の概略平面図である。
図19】本発明の実施形態に係る図14の太陽電池を示す断面図である。
図20】本発明の実施形態に係る断続的なトレンチを示す概略平面図である。
図21】本願発明の発明者が実行した実験で得られたさまざまな太陽電池の逆ブレークダウン特性を示すIV曲線である。
図22】本発明の実施形態に係る太陽電池を製造する方法を示すフローチャートである。
図23】本発明の実施形態に係る、トレンチ中断部が1つである太陽電池を示す概略図である。
図24図23の太陽電池の断続的なトレンチを示す概略平面図である。
図25】本発明の実施形態に係る太陽電池を示す概略図であって、当該太陽電池は、1つの領域内にトレンチ中断部が複数あり、局所的動作温度は略同じである。
図26図25の太陽電池の断続的なトレンチを示す概略平面図である。 複数の図面にわたって同じ参照符号を用いる場合、同一または同様の構成要素を意味するものとする。尚、図面は実寸に即したものではない。
【発明を実施するための形態】
【0008】
本開示では、材料、処理パラメータ、処理工程、および構造の例などを挙げて、具体的且つ詳細な説明を多用することによって、本発明の実施形態を完全に理解できるようにする。しかし、当業者であれば、そのような具体的且つ詳細な説明の一部がなくとも本発明を実施し得ることに想到するであろう。また、公知の詳細な内容については、本発明の側面をあいまいにすることを避けるべく、図示および記載を省略する。
【0009】
P型ドーピング領域およびN型ドーピング領域が基板内にある太陽電池では、P型ドーピング領域およびN型ドーピング領域の外周は、別個に、または、隣接して形成されている場合がある。しかし、ポリシリコンドーピング領域の場合にはこの限りではない。これは、電荷キャリアの寿命がポリシリコン内では非常に短いので、ポリシリコンドーピング領域同士が接触する空間電荷領域では再結合が非常に多いためである。つまり、ポリシリコンドーピング領域同士が接触し合うと効率に悪影響が出ることになる。本発明の実施形態は、ポリシリコンドーピング領域および形成されるドーピング領域一般に関連するこの問題に対処するものである。
【0010】
図1は、本発明の実施形態に係る太陽電池構造を示す概略断面図である。図1に示す太陽電池の例は、裏面コンタクト型太陽電池であり、ドーピング領域101および102は、正面105とは反対側の裏面106に設けられている。正面105は、通常動作時は、太陽に向いている面である。ドーピング領域101および102は、薄い誘電体層113の上に形成されている。誘電体層113は、5オングストロームから40オングストロームの厚みに形成されるとしてよい。一実施形態によると、誘電体層113は、基板103の表面の上に厚み20オングストロームまで熱的に成長した二酸化シリコンを含む。誘電体層113はまた、窒化シリコンを含むとしてもよい。誘電体層113は、表面を保護するという利点を持つ。ドーピング領域101および102を形成するポリシリコンが誘電体層113に電界を印加すると、少数キャリアが反発し、誘電体界面には多数キャリアが蓄積される。
【0011】
図1に示した例によると、ドーピング領域101はP型ドーピング領域で、ドーピング領域102はN型ドーピング領域である。本例では、基板103はN型シリコンウェハを含む。また、想到の範囲内ではあるが、基板103は、P型シリコンウェハまたはその他のウェハを含むとしてもよい。この場合、太陽電池構造の残りの構成要素も適切に変更されるとしてよい。任意の所与の太陽電池にはP型およびN型のドーピング領域が複数設けられているが、図示の便宜上、図1では各領域を1つのみ示している。
【0012】
ドーピング領域101および102は、減圧化学気相成長(LPCVD)法で約2000オングストロームの厚みに形成されたドーピングポリシリコンを含むとしてよい。ドーピング領域101は、P型ドーパント(例えば、ホウ素)でドーピングされたポリシリコンを含み、ドーピング領域102は、N型ドーパント(例えば、リン)でドーピングされたポリシリコンを含むとしてよい。ポリシリコンを薄い誘電体層113の上方に成膜して、その後に拡散によりドーピングを実行するとしてよい。また、誘電体層113の上に成膜する前に、ポリシリコンに事前にドーピングを施しておくとしてもよい。ポリシリコンがドーピング領域101および102の形成材料として好まれるのは、高温処理が実行可能で、サーマルバジェットを大きくできるためである。
【0013】
図1に示すように、ドーピング領域101および102は、トレンチ104によって分離されている。トレンチ104は、ドーピング領域101とドーピング領域102との間の間隙として機能する。
【0014】
トレンチ104は、例えば、レーザトレンチ形成法または従来のエッチングを用いて形成されるとしてよい。一実施形態によると、トレンチ104は、幅が約100ミクロンである。トレンチ104は、ポリシリコンドーピング領域101および102にドーピングを実行するための拡散工程の前後に形成されるとしてよい。拡散工程の前にトレンチ104を形成する場合、パッシベーション領域112は、拡散工程で形成されるN型のパッシベーション領域を含むとしてよい。
【0015】
一実施形態によると、トレンチ104を形成する処理は、トレンチ104を形成するだけでなく、トレンチ104の表面に不規則に粗面化した表面114を形成する。不規則に粗面化した表面114を設けることによって、太陽電池の裏面に入射した太陽光の集光率が改善される。つまり、両面構成が実現される。水酸化カリウムおよびイソプロピルアルコールを利用するウェットエッチングプロセスを用いて、トレンチ104を形成すると共に角錐を不規則に設けて表面114を粗面化するとしてよい。トレンチ104は、基板103を1〜10ミクロン(例えば、3ミクロン)の深さまで削って形成されるとしてよい。
【0016】
トレンチ104には、誘電体として窒化シリコン107を堆積させる。窒化シリコン107は、トレンチ104の下方にシリコン面を蓄積すると共に良好な表面保護層として機能するべく、正の固定電荷密度が比較的高いことが好ましい。窒化シリコン107の正の固定電荷密度は、窒化シリコン107を形成する際に用いられる堆積プロセスの一環として自然に発生するとしてよい。一実施形態によると、窒化シリコン107は、プラズマ化学気相成長(PECVD)法で約400オングストロームの厚みに形成される。こうして蓄積される層は、少数キャリア、つまり、N型材料において正に帯電している正孔をはね返す。トレンチ104によって、ポリシリコン内での空間電荷領域の形成が妨げられる。その代わり、P型ポリシリコンの下方の単結晶シリコン内で空間電荷が形成される。この領域では、粒界のために寿命が低減されることはないので、寄生性の再結合が抑制される。この空間電荷領域の一部は、トレンチ104内でウェハの表面と交差している。窒化シリコン107内の正の電荷によって、空間電荷領域のうちこの領域の影響が低減されると共に当該領域が狭くなる。
【0017】
図1に示す太陽電池構造を製造する処理フローの一例は、基板103の裏面の上方に薄い誘電体層113を形成する段階と、薄い誘電体層113の上方にドーピングされていないポリシリコン層を形成する段階と、ポリシリコン層をドーピングしてP型およびN型のドーピング領域101および102を形成する段階と、ドーピング後のポリシリコン層をエッチングして、トレンチ104および粗面化面114を形成する段階と、パッシベーション領域112を形成する段階と、トレンチ104内に窒化シリコン107を形成する段階とを含むとしてよい。ドーピング領域101および102は、ドーピングされていないポリシリコン層上でドーパントを拡散させるのではなく、成膜工程、マスキング工程、および、エッチング工程を含む従来の方法を用いて、誘電体層113上に事前にドーピングされたポリシリコンを成膜することによって形成するとしてもよい。窒化シリコン107の表面は、粗面化されているものではなく、平坦であることが好ましい。しかし、窒化シリコン107が平坦であるか否かは決定的な要素ではなく、平坦化工程を追加する必要はない。例えば、窒化シリコン107は成膜時に得られる程度に平坦であるとしてよい。トレンチ104が形成されるのは、ドーピング領域101および102を形成するためのドーピングの前または後であってよい。
【0018】
図2を参照しつつ説明すると、窒化シリコン107を貫通してインターデジット式の金属コンタクトフィンガー部108および109が形成されており、それぞれドーピング領域101および102への電気接続を実現しているとしてよい。インターデジット式の金属コンタクトフィンガー部108および109に外部の電気回路を取着して、外部の電気回路を太陽電池に接続すると共に、太陽電池から外部の電気回路に電力を供給するとしてよい。図2の例では、金属コンタクトフィンガー部108は正の電気端子に接続され、金属コンタクトフィンガー部109は負の電気端子に接続されるとしてよい。
【0019】
図1に示したトレンチ構造は、ポリシリコンの寄生性の空間電荷の再結合に関して上述した問題にさまざまな側面から対処するべく構成されている。第一に、ドーピング領域101および102は、トレンチ104によって互いから分離しているので、物理的に接触していない。このため、いずれのポリシリコン膜にも空間電荷領域が存在しなくなる。第二に、トレンチ104の下方に形成される蓄積層は、少数キャリアをはね返すので、表面保護機能が改善される。第三に、トレンチ104内に形成されている粗面化面114によって太陽光の集光率が高くなる。この結果、太陽電池の高効率化という利点が得られる。
【0020】
図3から図10は、本発明の実施形態に係る太陽電池の製造方法を説明するための断面図である。太陽電池には複数のP型ドーピング領域およびN型ドーピング領域が設けられるが、図示の便宜上、以下に記載する例ではそれぞれ1つのみを製造するものとして図示している。
【0021】
図3から図10に示す実施形態は、基板303の裏面に薄い誘電体層313を形成することから開始される(図3)。基板303は、例えば、N型シリコンウェハを含むとしてよい。誘電体層313は、5オングストロームから40オングストローム(例えば、20オングストローム)の厚みに形成されるとしてよい。一実施形態によると、誘電体層313は、基板103の表面の上に熱的に成長した二酸化シリコンを含む。また、誘電体層313は、例えば、窒化シリコンを含むとしてもよい。その後、ドーピングされていないポリシリコン層322を誘電体層313の上に形成する。ポリシリコン層322は、例えば、LPCVD法で約2000オングストロームの厚みに形成されるとしてよい。その後、ポリシリコン層322の上方に、ドーピングされた二酸化シリコン層323を形成する(図4)。二酸化シリコン層323は、この後形成されるドーピング領域、本例ではP型ドーピング領域301(図7Aまたは図8Bを参照のこと)のドーパントソースとして機能する。二酸化シリコン層323はこのため、ホウ素等のP型ドーパントでドーピングされているとしてよい。ドーピングされた二酸化シリコン層323は、P型ドーピング領域301が形成されるべきポリシリコン層322の一部分の上方に残るように、パターニングされる(図5)。二酸化シリコン層323は、APCVDによって、約1000オングストロームの厚みに形成されるとしてよい。
【0022】
二酸化シリコン323およびポリシリコン層322の上方に、ドーピングされた二酸化シリコン層324を形成する(図6)。二酸化シリコン324は、この後形成されるドーピング領域、本例ではN型ドーピング領域302(図7Aまたは図8Bを参照のこと)のドーパントソースとして機能する。二酸化シリコン層324はこのため、リン等のN型ドーパントでドーピングされているとしてよい。二酸化シリコン324は、APCVDによって、約2000オングストロームの厚みに形成されるとしてよい。
【0023】
ドーピング領域を分離するトレンチは、第1のトレンチ形成プロセスではドーピング領域が形成される前に形成され、第2のトレンチ形成プロセスではドーピング領域が形成された後に形成されるとしてよい。図7Aおよび図8Aは、第1のトレンチ形成プロセスの処理工程を示す図であり、図7Bおよび図8Bは、第2のトレンチ形成プロセスの処理工程を示す図である。どちらのトレンチ形成プロセスであっても、図6に続いて実行され、終了後は図9に続くとしてよい。
【0024】
第1のトレンチ形成プロセスでは、熱ドライブイン(drive−in)工程によって、二酸化シリコン323および324からその下のポリシリコン層322へとドーパントを拡散するので、ポリシリコン層322にP型ドーピング領域およびN型ドーピング領域が形成される。それぞれ、P型ドーピング領域301およびN型ドーピング領域302とする(図7A)。熱ドライブイン工程は、図6に示す構造を加熱することによって、実行されるとしてよい。好ましいドライブ条件にすれば、ドーピング濃度の高い、例えば、1e20cm−3を超えるドーピング濃度のポリシリコン層が得られ、この膜の厚み方向にわたって一定となり、ポリシリコン層の下方はほとんどドーピングされず、例えば、1e18cm−3以下となる。熱ドライブイン工程を実行することによって、二酸化シリコン323の下方のポリシリコン層322はP型ドーピング領域301を形成し、二酸化シリコン324の下方のポリシリコン層322はN型ドーピング領域302を形成する。
【0025】
二酸化シリコン324、二酸化シリコン323、ドーピング領域301、ドーピング領域302、および、薄い誘電体層313をエッチングして、トレンチ304を形成する(図8A)。トレンチ用エッチングは、複数の段階にわたって行われるエッチングプロセスを含むとしてよく、最後のエッチング工程は基板303でストップする。トレンチ304は、例えば、幅が約100ミクロンであるとしてよい。しかし、トレンチの幅は、P型ドーピング領域301およびN型ドーピング領域302が互いに接触しない限り小さくするとしてよく、最小幅の下限値は知られていない。トレンチ304は、レーザトレンチ形成法等の従来のエッチングプロセスを用いて形成するとしてよい。一実施形態によると、トレンチ304は、太陽光の集光効率を改善するべく粗面化面314を持つ。一実施形態によると、水酸化カリウムおよびイソプロピルアルコールを利用するウェットエッチングプロセスを用いて、トレンチ304を形成すると共に角錐を不規則に設けて表面314を粗面化する。トレンチ304は、基板303内に、1〜10ミクロン、例えば、3ミクロンの深さで削られるとしてよい。
【0026】
薄い(200オングストローム未満、例えば、100オングストローム)のパッシベーション層310をトレンチ304の表面314に形成するとしてよい。パッシベーション層310は、例えば、表面314に熱的に成長した二酸化シリコン、または、成膜された窒化シリコン層を含むとしてよい。
【0027】
第2のトレンチ形成プロセスでは、図6に示した構造が有する二酸化シリコン324、二酸化シリコン322、および、薄い誘電体層313をエッチングしてトレンチ304を形成する(図7B)。トレンチ304の表面には、粗面化面314を形成するとしてよい。トレンチ用エッチングは、太陽電池のドーピング領域を形成する前にトレンチを形成する点を除き、第1のトレンチ形成プロセスと略同じである。
【0028】
第1のトレンチ形成プロセスと同様に、熱ドライブイン工程を実行して二酸化シリコン層323および324からその下のポリシリコン層322へとドーパントを拡散させて、ドーピング領域301および302を形成する(図8B)。この場合、第2のトレンチ形成プロセスでは、拡散プロセスにおいて、トレンチ304の下方の基板303内にパッシベーション領域315が形成される。パッシベーション領域315は、拡散されたN型ドーパントを含むとしてよい。一実施形態によると、パッシベーション領域315は、熱ドライブイン工程において、拡散炉内にPOCl3(オキシ塩化リン)を導入することによって形成される。パッシベーション領域315は、図1のパッシベーション領域112と同一の機能を持つ。
【0029】
第1のトレンチ形成プロセスおよび第2のトレンチ形成プロセスの両方において、トレンチ304は、P型ドーピング領域301およびN型ドーピング領域302を互いから物理的に分離するための間隙として機能する。太陽電池の製造工程は、図8Aまたは図8Bから図9へと続く。
【0030】
続いて図9を参照して説明すると、窒化シリコン層307として誘電体をトレンチ304に形成する。図9の例では、窒化シリコン層307はさらに、層323および324の上方にも形成される。窒化シリコン層307は、トレンチ304の下方にシリコン面を蓄積すると共に良好な表面保護層として機能するべく、正の固定電荷密度が比較的高いことが好ましい。窒化シリコン307の正の固定電荷密度は、例えばPECVDプロセスの一環として自然に発生するとしてよい。一実施形態によると、窒化シリコン307は、PECVD法で約400オングストロームの厚みに形成される。窒化シリコン307は、表面が(例えば、成膜時に)平坦であることが好ましい。図9および図10のパッシベーション領域312は、利用したトレンチ形成プロセスによって、パッシベーション層310(図8Aを参照のこと)またはパッシベーション領域315(図8Bを参照のこと)を表す。
【0031】
その後、インターデジット式の金属コンタクトフィンガー部308および309が、窒化シリコン307を貫通して形成され、層323および324を介してドーピング領域301および302にそれぞれ電気接続されるとしてよい(図10を参照のこと)。外部の電気回路をインターデジット式の金属コンタクトフィンガー部308および309に取着して、太陽電池と電気回路とを接続すると共に太陽電池から電気回路へと電力を供給するとしてよい。図10の例によると、金属コンタクトフィンガー部308が正の電気端子に結合されて、金属コンタクトフィンガー部309が負の電気端子に結合されるとしてよい。このようにして得られる太陽電池は、図1に示した太陽電池と同じ利点を持つ。
【0032】
図11は、従来の太陽電池の性能と、本発明の実施形態に係る太陽電池の性能とを比較している暗時のIV(電流/電圧)曲線を示す図である。同図のIV曲線を「暗時」と呼ぶのは、太陽電池に太陽光が直接照射されていない場合に測定されたものであるためである。
【0033】
同図のIV曲線は、N型シリコンとP型ドーピング領域との間に形成されているダイオードに対応する。図11に示す例では、横軸はダイオードに印加される電圧を表し、縦軸はその結果ダイオードを流れる電流を表す。IV曲線401は、P型ポリシリコンドーピング領域およびN型ポリシリコンドーピング領域が接触している太陽電池であって、試験的に作成された太陽電池に対応する。IV曲線402は、普通のSunpower Corporation社製A300(登録商標)型の太陽電池に対応する。IV曲線403は、図1および図9に図示したような、P型ドーピング領域とN型ドーピング領域との間にトレンチが設けられている太陽電池に対応する。IV曲線402は理想的なIV曲線404に非常に近似しているが、IV曲線403の方がより近似している。線405は、理想的なダイオードのIV特性を観察する指針であり、傾きは電流10倍に対して60ミリボルトである。
【0034】
図12は、本発明の実施形態に係る太陽電池を製造する方法600を示すフローチャートである。方法600によると、ポリシリコン層内にドーピング領域を形成する(ステップ601)。ドーピング領域は、例えば、ドーピングされていないポリシリコン層の上方にドーピングされている二酸化シリコン層を成膜して拡散工程を実行するか、事前にドーピングされた二酸化シリコン層を成膜するか、または、ドーピングされていないポリシリコン層を成膜した後でドーパント注入ステップを実行することによって形成するとしてよい。ドーピング領域が形成されたポリシリコン層に対してエッチングを行って、P型ドーピング領域とN型ドーピング領域とを分離するトレンチを形成するとしてよい(ステップ602)。これに代えて、ドーピング領域を形成する前にトレンチを形成するとしてもよい。トレンチには、太陽光の集光率を高めるべく、粗面化した面を設けるとしてもよい。トレンチ材料と基板のバルクとを分離するべく、パッシベーション層または基板内に形成される拡散領域等のパッシベーション領域を形成するとしてよい(ステップ603)。その後、窒化シリコン層として誘電体をトレンチに成膜するとしてよい(ステップ604)。この後、インターデジット式の金属コンタクトフィンガー部を形成して、窒化シリコンを貫通して、P型ドーピング領域およびN型ドーピング領域に電気的に接続させるとしてよい。
【0035】
上述したように、P型ドーピング領域およびN型ドーピング領域を物理的に分離することによって、両ドーピング領域が互いに接触する隣接接合がなくなり、太陽電池の高効率化が実現される。隣接接合は、順方向のリーク電流が比較的大きくなるので太陽電池の効率に悪影響を及ぼすが、太陽電池の逆ブレークダウン電圧を低減する。逆ブレークダウン電圧が発生するのは通常、太陽電池が陰にある場合である(つまり、太陽電池には直接太陽光が照射されていない場合である)。逆ブレークダウン電圧は、P型ドーピング領域およびN型ドーピング領域の隣接部分で形成されているダイオード内のなだれ降伏メカニズムおよびツェナー降伏メカニズムに起因するものである。隣接接合を持つ一部の太陽電池の逆ブレークダウン電圧は、例えば、約−4ボルトである。これに対して、P型ポリシリコンドーピング領域およびN型ポリシリコンドーピング領域との間が完全にトレンチで分離されている太陽電池は、隣接接合がないので逆ブレークダウン電圧がはるかに高くなり、−100ボルトにもなってしまう場合がある。逆ブレークダウン電圧が高くなると、過剰な熱が発生し、安全性について問題が発生する可能性がある。
【0036】
図13は、本願発明の発明者が見つけたさまざまな太陽電池の挙動を説明するためのIV曲線を示す図である。図13では、横軸が電圧を表し、縦軸が電流を表す。原点(0,0)の右側にある第1象限Iは、電圧および電流が正であることを表す。原点(0,0)の左側にある第4象限IVは、電圧が負で電流が正であることを表す。
【0037】
IV曲線701は、P型ドーピング領域およびN型ドーピング領域を分離するトレンチが設けられていない第1の例の太陽電池に対応する。IV曲線702は、P型ドーピング領域およびN型ドーピング領域を分離するトレンチが連続して設けられている第2の例の太陽電池、例えば図2に示す太陽電池に対応する。
【0038】
曲線701は、第1の例の太陽電池に太陽光が照射されなくなると、生成される電圧が負方向に変化するので、左方向に進む。隣接接合が形成されているダイオードは最終的に、逆ブレークダウン電圧、例えば、−4ボルトでブレークダウン状態となる。この結果として発生する電流の増加は、同一モジュール内にある別の太陽電池によって制限され、通常は問題にならない。第1の例の太陽電池は、逆ブレークダウン電圧は比較的低いが、正方向の電圧領域(つまり、太陽電池に太陽光が照射されている場合、第1象限Iを参照のこと)での性能は、第2の例の太陽電池の性能に比べると、優位ではない。より具体的に説明すると、第2の例の太陽電池のIV曲線702を参照すると、IV曲線701および702を第1象限Iで比較すると分かるように、通常動作時は第2の例の太陽電池が第1の例の太陽電池よりも高効率であることが分かる。
【0039】
本願発明の発明者たちは、P型ドーピング領域およびN型ドーピング領域を分離しているトレンチを複数箇所で断続させて形成することによって、トレンチが設けられていない箇所ではP型ドーピング領域およびN型ドーピング領域が接触させることで、太陽電池の通常動作時の正方向電圧特性に大きな悪影響を及ぼすことなく、太陽電池の逆ブレークダウン特性を改善し得るという予想外の結果を発見した。
【0040】
図13に示すIV曲線703は、本発明の実施形態に係る断続的なトレンチが設けられている第3の例の太陽電池に対応する。曲線703は、第3の例の太陽電池に太陽光が照射されなくなると、生成される電圧が負方向に変化するので、左に移動する。第3の例の太陽電池は最終的に、逆ブレークダウン電圧で、第2の例の太陽電池の逆ブレークダウン電圧に比べるとわずかに高い約−6ボルトで、ブレークダウン状態となる。しかし、第3の例の太陽電池の正方向の電圧特性は、第1象限IでIV曲線703および702を比較すれば分かるように、第2の例の太陽電池の正方向の電圧特性と同様である。つまり、断続的なトレンチを設けることによって、太陽電池に太陽光が照射されている通常動作時の効率を改善することができる一方、太陽電池に太陽光が照射されていない場合の逆ブレークダウン電圧を相当低くすることができる。断続的なトレンチが設けられている太陽電池を以下で、まず図14を参照しつつ説明する。
【0041】
図14は、本発明の実施形態に係る太陽電池720を示す概略図である。太陽電池720は、裏面721に形成されたポリシリコン層内にP型ドーピング領域およびN型ドーピング領域が設けられている裏面コンタクト型太陽電池を含むとしてよい。裏面721とは反対側の、太陽電池720の正面は、通常動作時には太陽の方向を向く。図14の例に図示されている複数のトレンチ中断部723は、P型ドーピング領域とN型ドーピング領域との間に設けられている断続的なトレンチの中断部分または遮断部分を表す。図示の便宜上、トレンチ中断部723のうち一部のみに参照番号を付している。
【0042】
図15は、本発明の実施形態に係る裏面721の一部分を示す拡大概略図である。図15の例では、裏面721において、インターデジット式の金属コンタクトフィンガー部108および109が設けられている。断続的なトレンチ800は、大半の箇所で、P型ドーピング領域101およびN型ドーピング領域102を互いから分離している。トレンチ中断部723(図15に図示するのは1つのみ)によって数箇所でトレンチ800が分断されており、その分断箇所においてP型ドーピング領域101およびN型ドーピング領域102は物理的に接触または隣接している。金属コンタクトフィンガー部108および109はそれぞれ、P型ドーピング領域およびN型ドーピング領域に電気的に結合している。実際には、図17および図19に示すように、金属コンタクトフィンガー部108および109は、誘電体を介して対応するドーピング領域へと接続されている。当該誘電体は、一実施形態によると、窒化シリコン107を含む(例えば、図17および図19を参照のこと)。
【0043】
以下の説明からより明らかになるが、太陽電池720は、逆ブレークダウン電圧を低く抑えつつ高効率化を図るべく太陽電池720のトレンチ800が途中で分断されている点を除いて、上述したトレンチが設けられている太陽電池(例えば、図2および図10を参照のこと)と同一である。したがって、太陽電池720は、トレンチ800は複数個所で分断されており連続的に形成されない点を除いて、図2および図10に示した太陽電池の製造プロセスとして前述したものと同一の製造プロセスを用いて製造されるとしてよい。トレンチ中断部は、トレンチエッチング工程において、対応するマスクパターンを用いて、または、レーザを適切に制御することによって、形成されるとしてよい。例えば、トレンチエッチング用マスクパターンは、トレンチを削らないトレンチ中断部を含むとしてよい。別の例を挙げると、トレンチ中断部では、レーザによってトレンチを削る作業を停止するとしてよい。
【0044】
図16は、裏面721のうち、図15に点線725で囲った領域を示す概略平面図である。図16では、トレンチ800のうち連続部分(つまり、分断されていない部分)を示している。トレンチ800によって、P型ドーピング領域101およびN型ドーピング領域102が互いから物理的に分離されている。図16はさらに、P型ドーピング領域101に電気的に結合しているP型金属コンタクトフィンガー部108、および、N型ドーピング領域102に電気的に結合しているN型金属コンタクトフィンガー部109を示している。
【0045】
図17は、本発明の実施形態を示す、図16に示した断面A−Aに沿った断面図である。図17は、太陽電池の裏面721および正面722を示す図である。尚、図17の断面図は、トレンチ800を除いて、図2に示す断面図と同じである。図2に示すトレンチ104は途切れずに設けられているが、図17のトレンチ800は分断部分がある。図17に示すその他の構成要素は、図2を参照して前述したものと同一である。
【0046】
図18は、裏面721のうち、図15に点線726で囲った領域を示す概略平面図である。図18では、P型ドーピング領域101およびN型ドーピング領域102が互いに接触しているトレンチ中断部723を示している。点線727は、P型ドーピング領域101およびN型ドーピング領域102によって形成される隣接接合を示す。実際には、トレンチ800の長さ方向に沿って複数のトレンチ中断部723が設けられている。図示の便宜上、図18に図示するトレンチ中断部723は1つのみとする。図18はさらに、P型ドーピング領域101に電気的に結合しているP型金属コンタクトフィンガー部108、および、N型ドーピング領域102に電気的に結合しているN型金属コンタクトフィンガー部109を示している。
【0047】
図19は、図18に示した断面B−Bに沿った断面図である。図19は、太陽電池の裏面721および正面722を示す図である。尚、図19の断面図は、トレンチ中断部723で切断された切断図なのでトレンチ800が形成されていないことを除いて、図17に示す断面図と同じである。したがって、窒化シリコン107は、金属コンタクトフィンガー部108から金属コンタクトフィンガー部109まで延在している。また、P型ドーピング領域101およびN型ドーピング領域102によって、隣接接合727が形成されている。一般的に、P型ドーピング領域101およびN型ドーピング領域102は、隣接接合727において、逆ブレークダウン電圧が非常に低いダイオードを形成している。このような構成によって、太陽光が照射されない場合の太陽電池の逆ブレークダウン電圧が非常に低くなるという利点が得られる。P型ドーピング領域101およびN型ドーピング領域102が形成されているポリシリコン領域のドーピング濃度およびドーピング傾斜が高くなると、逆ブレークダウン電圧が低くなる。逆ブレークダウン電圧が低くなると、隣接接合の周囲長が100分の1小さくなる。この変化による逆ブレークダウン電圧の増加幅は、一例によると、−4ボルトから−6ボルトに過ぎない。図19に示すその他の構成要素は、図2を参照して前述したものと同一である。
【0048】
図20は、本発明の実施形態に係る断続的なトレンチ800を示す概略平面図である。複数のトレンチ中断部723によってトレンチ800が分断されており、分断箇所において隣接するP型ドーピング領域とN型ドーピング領域との間に隣接接合が形成されている。一実施形態によると、中断部723は、トレンチ800が連続して設けられている場合の全長のうち約0.1%から10%を占める。トレンチ800の全長は、約125mmであってよく、この長さはウェハを横断する寸法である。
【0049】
図21は、本願発明の発明者達が実行した実験で得られたさまざまな太陽電池の逆ブレークダウン特性を示すIV曲線である。図21に示す例では、横軸が逆電圧を表し、縦軸が電流を表す。IV曲線731は、トレンチが設けられていないために、P型ポリシリコンドーピング領域およびN型ポリシリコンドーピング領域が最初から最後まで接触している試験構造の太陽電池に対応する。IV曲線732は、図2および図10に示すような連続したトレンチが設けられている太陽電池に対応する。IV曲線733は、典型的なSunpower Corporation社製A300(登録商標)型の太陽電池に対応する。IV曲線734は、断続的なトレンチが設けられている太陽電池に対応する。尚、トレンチが設けられていない太陽電池の曲線731は非常に傾斜が大きく、最初から最後までトレンチが設けられている太陽電池の曲線732と比べると、逆ブレークダウン電圧が低くなっている。断続的なトレンチが設けられている太陽電池の曲線734を見ると、曲線731および733に比べて、逆ブレークダウン電圧がわずかに高くなっていることが分かる。しかし、前述したように、断続的なトレンチを設けることによって、正方向の電圧領域、つまり、太陽電池全体に太陽光が照射されている通常動作時の効率を高めることができる。
【0050】
図22は、本発明の実施形態に係る太陽電池を製造する方法730を示すフローチャートである。方法730において、P型ドーピング領域およびN型ドーピング領域をポリシリコン層内に形成する(ステップ731)。ドーピング領域は、例えば、ドーピングされていないポリシリコン層の上方にドーピングされている二酸化シリコン層を成膜して拡散工程を実行するか、事前にドーピングされた二酸化シリコン層を成膜するか、または、ドーピングされていないポリシリコン層を成膜した後でドーパント注入ステップを実行することによって形成するとしてよい。ドーピング領域が形成されたポリシリコン層に対してエッチングを行って、P型ドーピング領域とN型ドーピング領域との間に断続的なトレンチを形成するとしてよい(ステップ732)。断続的なトレンチは、(例えば、全長の99%を占める)連続部分においてP型ドーピング領域とN型ドーピング領域とを分離すると同時に、(例えば、全長の1%を占める)中断部分においてP型ドーピング領域およびN型ドーピング領域を互いに接触させているとしてよい。断続的なトレンチは、ドーピング領域を形成する前に形成するとしてもよい。断続的なトレンチには、太陽光の集光率を高めるべく、粗面化した面を設けるとしてもよい。トレンチ材料と基板のバルクとを分離するべく、パッシベーション層または基板内に形成される拡散領域等のパッシベーション領域を形成するとしてよい(ステップ733)。その後、窒化シリコン層として誘電体を断続的なトレンチに成膜するとしてよい(ステップ734)。この後、インターデジット式の金属コンタクトフィンガー部を形成して、窒化シリコンを貫通して、P型ドーピング領域およびN型ドーピング領域に電気的に接続させるとしてよい。
【0051】
設計内容および周囲環境の状況によっては、トレンチ800に沿って複数のトレンチ中断部723を設けることによって、熱暴走が発生して、太陽電池が過熱される場合がある。熱暴走の発生を防ぐべく、トレンチ800のトレンチ中断部723の数および位置を制限するとしてよい。このような実施形態を以下で、まず図23を参照しつつ説明する。
【0052】
図23は、本発明の実施形態に係る、太陽電池750を示す概略図である。太陽電池750は、裏面721においてトレンチ中断部723が1つのみであるという点を除いて、太陽電池720(図14を参照のこと)と同一である。つまり、太陽電池750のいずれのトレンチにもトレンチ中断部723は他に設けられていないということになる。
【0053】
図24は、太陽電池750の断続的なトレンチ800を示す概略平面図である。前述したように、トレンチ800によって、P型ドーピング領域101およびN型ドーピング領域102が互いから物理的に分離されている。1つのトレンチ中断部723によって、トレンチ800が分断されており、太陽電池750内の一箇所において、P型ドーピング領域101とN型ドーピング領域102との間に1つ隣接接合が形成されている。一般的に、トレンチ中断部の数は1個から10個としてよく、1枚のウェハに1つのトレンチ中断部を設けることが好ましい。
【0054】
図25は、本発明の実施形態に係る太陽電池751を示す概略図である。当該太陽電池751は、1つの連続領域752内にのみ集中して複数(図25の例では3個)のトレンチ中断部723が設けられていることを除いて、太陽電池720(図14を参照のこと)と同じである。つまり、太陽電池751には領域752は他に設けられていない(このため、上記以外にはトレンチ中断部723はない)。1つだけ設けられている領域752ではどの箇所でも、局所的動作温度が略同じまたは同等である。
【0055】
図26は、太陽電池751の断続的なトレンチ800を示す概略平面図である。前述したように、トレンチ800によって、P型ドーピング領域101およびN型ドーピング領域102が互いから物理的に分離されている。1つの領域752内に形成された複数のトレンチ中断部723によって、トレンチ800が分断されており、1つの領域752において、P型ドーピング領域101とN型ドーピング領域102との間に隣接接合が複数形成されている。
【0056】
上述の説明から想到されるように、本発明の実施形態に係る太陽電池には、トレンチ800の全長にわたって離間して複数のトレンチ中断部723が設けられるもの、トレンチ中断部723が1つのみ設けられるもの、1つの連続領域にのみ複数のトレンチ中断部723が設けられるもの、および、本発明の利点を損なうことなく設計要件をさまざまに組み合わせたその他の例(例えば、局所的領域を2つ形成して、それぞれに複数のトレンチ中断部723を離間させて設けるもの、2つのトレンチ中断部723を別々の領域に設けて、局所的動作温度を大きく異ならせるもの)が含まれるとしてよい。
【0057】
本開示内容によれば、太陽電池の製造プロセスおよび太陽電池の構造が改善される。本発明の具体的な実施形態を説明してきたが、上記の実施形態は本発明を例示するために記載したものであって本発明を限定するものではないと理解されたい。当業者であれば、本開示内容を参照することによって、上記以外にも多くの実施形態に想到するであろう。
[項目7]
太陽電池を製造する方法であって、
N型シリコンウェハを含む太陽電池基板の上に第1の誘電体層を形成する段階と、
前記第1の誘電体層の上方に配置されるようにP型ドーピング領域およびN型ドーピング領域を、前記太陽電池の正面の反対側の面であり、前記正面は、通常動作時に太陽の方を向く面である前記太陽電池基板の裏面に形成する段階と、
所与の箇所において前記P型ドーピング領域および前記N型ドーピング領域を互いから物理的に分離して、他の箇所においては前記P型ドーピング領域および前記N型ドーピング領域を互いに接触させる段階と、
前記P型ドーピング領域および前記N型ドーピング領域の上方に第2の誘電体層を成膜する段階と
を備える方法。
[項目8]
断続的なトレンチによって、前記P型ドーピング領域および前記N型ドーピング領域を互いから物理的に分離する項目7に記載の方法。
[項目9]
前記断続的なトレンチの表面を不規則に粗面化する段階をさらに備える項目8に記載の方法。
[項目10]
前記第2の誘電体層は、窒化シリコンを含む項目7に記載の方法。
[項目11]
前記太陽電池基板の前記裏面において、前記P型ドーピング領域に第1の金属コンタクトフィンガー部を電気接合する段階と、
前記太陽電池基板の前記裏面において、前記N型ドーピング領域に第2の金属コンタクトフィンガー部を電気接合する段階と
をさらに備える項目7に記載の方法。
[項目12]
前記P型ドーピング領域は、前記第1の誘電体層の上方に成膜される前にP型ドーパントで事前にドーピングされていたポリシリコンを含み、前記N型ドーピング領域は、前記第1の誘電体層の上方に形成される前にN型ドーパントで事前にドーピングされていたポリシリコンを含む項目7に記載の方法。
[項目13]
前記P型ドーピング領域を形成する段階は、
ドーパントソースからポリシリコン層へとドーパントを拡散させる段階
を有し、
前記ドーパントソースは、前記ポリシリコン層の上方に形成される材料層である項目7に記載の方法。
[項目14]
前記ドーパントソースは、P型ドーピングニ酸化シリコン層を含む項目13に記載の方法。
[項目20]
前記断続的なトレンチ構造の表面に形成されているパッシベーション層をさらに備える太陽電池。
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7A
図7B
図8A
図8B
図9
図10
図11
図12
図13
図14
図15
図16
図17
図18
図19
図20
図21
図22
図23
図24
図25
図26